CN102645697A

CN102645697A - 一种成像光谱滤光片及其制备技术

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Publication number: CN102645697A
Application number: CN2012101386984A
Authority: CN
Inventors: 孔令华
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Current assignee: Individual
Priority date: 2012-05-08
Filing date: 2012-05-08
Publication date: 2012-08-22
Anticipated expiration: 2032-05-08
Also published as: CN102645697B

Abstract

一种成像光谱滤光片，它包括基片、像素层，其要点在于在基片的正、反两表面都覆盖有像素层，正、反两表面的像素层均为干涉薄膜系或一面为干涉薄膜系、另一面为彩色感光胶的组合。像素层具有二维周期结构，相邻的n个波段像素为一个周期，分别沿滤光片表面的X轴方向、Y轴方向重复排列，直至覆盖探测器的所有工作像素，本发明的优点在于将像素层分解到基片的两个表面，减少像素元中膜系的层数，降低膜系的总厚度，结构紧凑，有效地克服了陷阱效应，在基片的两个表面同时镀膜使其应力基本平衡，基片不会变形，保证了膜层的精度，减少时间，提高生产效率，独特的离子束溅射双面镀膜机设计方案和磁控溅射双面镀膜机设计方案。

Description

一种成像光谱滤光片及其制备技术

技术领域

本发明属于滤光片，尤其涉及成像光谱滤光片及其制备技术。

背景技术

成像光谱***硬件的核心器件包括照相镜头、成像光谱滤光片、成像探测器CMOS/CCD。成像镜头及成像探测器已经实现了工业化生产，有多种型号的产品可以选用，所以设计与制备成像光谱滤光片就成为硬件***的关键环节。

成像光谱滤光片通常可能包含数万至数十万个像素元，并且尺寸范围在几个微米至20微米左右，所以无法想象使用机械组装的方式进行制备，而是采用半导体中的刻蚀技术与物理气相沉积技术相结合的方法，在同一个基片上制备各个透射波段的像素群。

为了制备能够耐受各种恶劣环境的影响，同时保证光谱特性稳定的干涉薄膜系，通常使用荷能镀膜工艺，使得膜层的微观结构非常致密。这种结构会在膜层的断面产生张应力，导致成像光谱滤光片的形变。此形变的尺度与基片的厚度有关，基片愈厚，形变愈小，但是基片愈厚，图像会产生更大的象散，影响图像的质量。但如果使用的基片很薄（例如厚度为0.3-0.5mm), 形变增加，需要克服应力效应。

采用普通制备掩模和镀膜工艺存在的问题：

1 陷阱效应大

在基片上制备掩模时，基片的裸露部分就构成陷阱，掩膜的厚度成为陷阱的深度。为了提高湿法刻蚀的速度，通常掩模的厚度应是膜层厚度的2倍以上。可见膜层的厚度值愈大，陷阱就愈深；而陷阱愈深，进行物理气相沉积时产生的边缘阴影效应就愈明显，像素元的有效面积就愈小。像素元的边长与厚度的比值，是表明陷阱效应的特征量。较厚的像素元，其边长不能太小；反之，高分辨率的成像光谱滤光片，其像素元的厚度应该足够小。

因此，为克服陷阱效应，在进行设计时应尽量降低膜系层的总厚度。

2 膜层的应力效应大

现有技术中，每个波长像素元的构成方式包括以下方式：

1）由相应波段的金属诱导膜系构成方式。

缺点是光谱性能较差，通带透过率偏低，过渡特性不够陡峭，容易产生信号串扰。同时膜层强度欠佳，在湿热环境中耐久性得不到保证。

2）由全介质带通膜系加截止膜系的构成方式

缺点是膜系结构复杂，总厚度偏厚，导致不能胜任较高分辨率的要求。

3）由相应波段的彩色感光胶固化构成方式。

此方案只能产生宽带通的光谱特性。

发明内容

本发明的目的在于克服上述缺点，提供一种结构紧凑的成像光谱滤光片，并能实现一次性曝光同时输出对应于不同波长的多光谱影像。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是一种成像光谱滤光片，它包括基片、像素层，其要点在于在基片的正、反两表面都覆盖有像素层。

将像素层分解到基片的两个表面，减少像素元中膜系的层数，降低膜系的总厚度，同时确保优异的光谱成像特性，结构紧凑，有效地克服了陷阱效应。

正、反两表面的像素层均为干涉薄膜系或一面为干涉薄膜系、另一面为彩色感光胶的组合。基片为光学玻璃或其他在工作波段透明的光学材料制成。

所述的干涉薄膜系是指由Nb₂O₅(也可用Ta₂O₅代替）和SiO₂膜层重复相间镀膜构成，即Nb₂O₅和SiO₂膜层相间，多次重复，但每层膜的厚度各异，利用多层膜相互之间的干涉原理，实现需要的光谱特性，干涉薄膜系的薄膜数目为20-80层。

像素层具有二维周期结构，相邻的n个波段像素为一个周期，n为大于或等于2的自然数，所述的二维周期结构是指在滤光片表面沿X或Y轴方向成像光谱滤光片按一定排列方式呈周期性排列，每个周期中包含n个不同的中心透过波长，所述每个周期波段像素只允许相应的一组波段的光通过，这组n个波段像素的几何形状和尺寸都是一样的，周期性排列的波段像素形成重复单元，该重复单元分别沿滤光片表面的X轴方向、Y轴方向重复排列，直至覆盖探测器的所有工作像素，所述周期性排列的行列数可以是几百或几千或更多。二维周期结构的排列方式是指沿Y轴方向即滤光片表面的宽度方向进行顺序排列，排好一列后再按顺序排第二列，一直到最后，最后一列不能占满时用空白格填满，形成重复单元，该重复单元分别沿表面的X轴方向、Y轴方向重复排列，直至覆盖探测器的所有工作像素。

具体可以：所述的二维周期结构是指沿Y轴方向即滤光片表面的宽度方向进行顺序排列，先排第一列1、2，再排第二列3、4，一直到最后，排成两行，第一行为1、3、5……，第二行为2、4、6……，当n为偶数时，两行刚好排齐，成为重复单元，当n为奇数时，第二行的最后一方格为空白，形成重复单元，该重复单元分别沿表面的X轴方向、Y轴方向重复排列，直至覆盖探测器的所有工作像素。也可以一列有三行、四行……。

上述成像光谱滤光片像素层的每个波长像素元的构成方式在于使用短波通膜系（SP）与长波通膜系（LP）合成对应波段（n_i）的带通膜系，或者使用边带截止膜系来构成滤光片的像素元。

像素层是由相应波段ni的彩色感光胶与干涉薄膜系组合构成滤光片的像素元，对于特定的待测的周期光谱组合，通过改变感光胶的组分，调节长波通特性的边界波长位置，再与适配的短波通膜系组合，得到需要的带通特性，并且可有效减少像素结构的厚度。

上述成像光谱滤光片的制备技术是用刻蚀技术和物理气相沉积技术方法，在同一个基片的正、反两个表面相应位置处，同时进行湿法刻蚀，制备同一透射波段像素群的掩模，使用镀膜设备，在基片的正、反两个表面同时镀膜。

所述的刻蚀和物理气相沉积技术工艺流程如下： 1）：制备基片；2）：用刻蚀法制备正、反两个表面第i个波段像素群的掩膜；3）：用物理气相沉积法制备正、反两个表面第i个波段的干涉薄膜系；4）：用刻蚀法剥离掩模；5)：检测是否为最后一个波段；检测如不是最后一个波段，重复流程2)-5），直到检测到最后一个波段，所有像素群掩膜及物理气相沉积过程的工艺流程结束。

所述基片厚度为0.3-0.5毫米。

所述流程的刻蚀工艺可选用湿法刻蚀或干法刻蚀，本工艺流程中采用湿法刻蚀工艺。采用半导体中的刻蚀技术与物理气相沉积技术相结合的方法，在同一个基片的两个表面，同时进行湿法刻蚀，以便实现将膜层分解到基片的两个表面，分别制备对应于各个透射波段的像素群的掩摸。在基片的两个表面同时进行湿法刻蚀，在两个表面的相应位置处，制成某一波段像素群的掩膜后，使用特殊的镀膜设备离子束溅射双面镀膜机设计方案或磁控溅射双面镀膜机设计方案的技术来制备该波段像素群的膜系。

其中，所述离子束溅射双面镀膜机设计方案和磁控溅射双面镀膜机设计方案是在基片的两个表面，对已制成的同一像素群的掩膜同时镀膜，将膜层分解到基片的两个表面，减少像素元中膜系的层数，降低膜系的总厚度，使应力达到平衡，同时确保优异的光谱成像特性。

其中，所述离子束溅射双面镀膜机设计方案和磁控溅射双面镀膜机设计方案使得选用更薄的基片（例如0.3毫米）成为可能，所述选用0.3毫米的基片能有效降低成像***的象散，确保优异的光谱成像特性。

新型成像光谱滤光片制备技术的离子束溅射双面镀膜机设计方案是通过一组旋转机构带动基片载盘1进行快速旋转，通过另外两组旋转机构分别带动两面Nb₂O₅和SiO₂靶材在需要时进行慢速旋转，以实现更换靶材。在真空室里用离子束溅射物理气相沉淀法在同一基片的两个表面对制备的各个透射波段的像素群分别镀膜，离子束溅射双面镀膜机设计方案在该像素群达到光谱特性要求的同时，使应力达到平衡。

其中，磁控溅射双面镀膜机设计方案是通过一组旋转机构带动基片载盘进行快速旋转。在真空室里用磁控溅射物理气相沉淀法，在同一基片的两个表面，对制备的各个透射波段的像素群分别同时镀膜，所述磁控溅射双面镀膜机设计方案在该像素群达到光谱特性要求的同时，使应力达到平衡。

本发明的优点在于使用全介质膜系确保光谱性能优异，膜层牢固，可经受任何恶劣环境的考验；使用外置滤光片简化了成像滤光片本身的膜系结构，使其仍胜任较高分辨率的要求；在基片的两个表面同时镀膜使其应力基本平衡，基片不会变形，保证了膜层的精度，同时减少了工艺周期的时间，提高了生产效率，离子束溅射双面镀膜机设计方案和磁控溅射双面镀膜机设计方案有别于传统的镀膜方法的先进性和独特性。

附图说明

图1为本发明的的结构示意图

图2为本发明的光谱滤光片表面薄膜二维周期n为4时的结构示意图

图3为图2中的光谱滤光片与成像探测器CMOS/CCD结合的使用状态的横截面结构示意图

图4为制作本发明光谱滤光片刻蚀技术和物理气相沉积技术的工艺流程图

图5为制作本发明光谱滤光片离子束溅射双面镀膜机设计方案俯视截面图

图6为制作本发明光谱滤光片磁控溅射双面镀膜机设计方案侧视截面图

其中：1、基片 2、像素层 3、基片载盘 4、SiO₂靶材 41、中心转轴 5、Nb₂O₅/Ta₂O₅靶材

6、膜层厚度分布修正板 7、溅射离子源 8、Nb孪生溅射靶 9、Si孪生溅射靶

10、真空机组 11、真空室 12、氧化室 22、成像探测器CMOS/CCD。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图1、2、3、4、5、6详细说明。

如图1所示，本发明的成像光谱滤光片包括基片1、像素层2，在基片1的正、反两表面都覆盖有像素层2。像素层2的两面均为干涉薄膜系或一面为干涉薄膜系、另一面为彩色感光胶的组合，干涉薄膜系是指由Nb₂O₅(也可用Ta₂O₅代替）和SiO₂膜层重复相间镀膜构成，即Nb₂O₅和SiO₂膜层相间，多次重复，但每层膜的厚度各异。基片1为光学玻璃或其他在工作波段透明的光学材料制成，厚度为0.3-0.5毫米。

如图2所示，成像光谱滤光片的像素层2（包括干涉薄膜系和彩色感光胶）具有二维周期结构，相邻的n个波段像素为一个周期，n为大于或等于2的自然数，所述的二维周期结构是指在滤光片表面沿X或Y轴方向，成像光谱滤光片按一定排列方式呈周期性排列，每个周期中包含n个不同的中心透过波长，所述n个不同的中心透过波长按一定排列方式排列成一组一定个数的波段像素，所述每个周期波段像素只允许相应的一组波段的光通过，这组n个波段像素的几何形状和尺寸都是一样的，并且，这组波段像素的排列，几何形状和尺寸，对于不同的周期波段像素来说也都是一样的，周期性排列的波段像素形成重复单元，该重复单元分别沿滤光片表面的X轴方向、Y轴方向重复排列，直至覆盖探测器的所有工作像素，所述周期性排列的行列数可以是几百或几千或更多。二维周期结构的排列方式是指沿Y轴方向即滤光片表面的宽度方向进行顺序排列，排好一列后再按顺序排第二列，一直到最后，最后一列不能占满时用空白格填满，形成重复单元，该重复单元分别沿滤光片表面的X轴方向、Y轴方向重复排列，直至覆盖探测器的所有工作像素，可能包含数万，数十万乃至更多的像素元。由于成像光谱滤光片需要放置在成像探测器之前，并且距离要尽可能小；考虑到在成像方***平板会产生象散，所以应该尽量降低基片的厚度。

举例说明当每列两行时，所述的二维周期结构是指沿Y轴方向即表面薄膜的宽度方向进行顺序排列，先排第一列1、2，再排第二列3、4，一直到最后，排成两行，第一行为1、3、5……，第二行为2、4、6……，当n为偶数时，两行刚好排齐，成为重复单元，当n为奇数时，第二行的最后一个方格为空白，形成重复单元，该重复单元分别沿表面薄膜的X轴方向、Y轴方向重复排列，直至覆盖探测器的所有工作像素。

图2中n为4，每列两行，先排第一列1、2，再排第二列3、4，形成重复单元，该重复单元分别沿表面薄膜的X轴方向、Y轴方向重复排列，直至覆盖探测器的所有工作像素。

也可以一列有三行、四行……。

如图3所示，为图2中的成像光谱滤光片和成像探测器CMOS/CCD22结合的使用状态。当n=4时，排列如图，干涉薄膜系每周期像素数为4，分别对应4个不同中心透过波长λ₁、λ₂、λ₃、λ₄。当包含波长λ₁、λ₂、λ₃、λ₄的混合光束照射在基片上表面像素层2时，该表面的干涉薄膜系对光波长进行初步选择性透过，初步过滤后的光经过基片1，到达基片下表面像素层2，下表面的干涉薄膜系对过滤后的光再次进行选择性透过，最后在n₁处只允许波长为λ₁的波段光透过，在n₂处只允许波长为λ₂的波段光透过，在n₃处只允许波长为λ₃的波段光透过……，照射在成像探测器CMOS/CCD 22上，从而实现对不同中心透过波长的波段光的选择性透过并成像。

其中，不同中心透过波长的波段光的选择性透过是通过基片上表面的干涉薄膜系和下表面的干涉薄膜系共同逐层对光波长的过滤而实现的。

由相应波段（n_i）的彩色感光胶与干涉薄膜系组合构成滤光片的像素元，对于一定的周期光谱组合，通过改变感光胶的组分，调节长波通特性的边界波长位置，再与适当的短波通膜系组合，得到需要的带通特性，并且可有效减少像素结构的厚度。

为了能够使用很薄的基片（例如0.3-0.5mm),需要克服应力效应。本发明采用半导体中的刻蚀技术与物理气相沉积技术相结合的方法，在基片的两个表面同时进行湿法刻蚀，在两个表面的相应位置处，制成同一像素群的掩膜，然后使用特殊的镀膜设备，在基片的两个表面对制备的同一像素群的掩膜同时镀膜，使应力达到平衡。这样在同一个基片上制备各个透射波段的像素群。将膜层分解到基片的两个表面，减少像素元中膜系的层数，降低膜系的总厚度，本项发明技术使得选用更薄的基片（例如0.3毫米）成为可能，有效降低成像***的象散。

请一并参阅图4、图5和图6。本发明的成像光谱滤光片两种制备设计方案。

成像光谱滤光片的制备技术工艺流程：如图4所示

1：制备基片；2：用刻蚀法制备第i个波段像素群的掩膜；3：用物理气相沉积法制备第i个波段的干涉薄膜系；4：用刻蚀法剥离掩模；5：检测是否为最后一个波段；检测如不是最后一个波段，回复到流程2，重复流程2--5，直到检测到最后一个波段，所有像素群掩膜及物理气相沉积过程的工艺流程结束。

其中，所述成像光谱滤光片的制备技术工艺流程，采用半导体中的刻蚀技术与物理气相沉积技术相结合的方法，刻蚀工艺可选用湿法刻蚀或干法刻蚀；本实施例工艺流程中选用湿法刻蚀工艺。

其中，所述成像光谱滤光片的制备技术工艺流程，采用半导体中的刻蚀技术与物理气相沉积技术相结合的方法，在同一个基片的两个表面同时进行湿法刻蚀，在两个表面的相应位置处，同时制备第i个波段的表面干涉子膜系，直到所述制备技术工艺流程制备完成各个透射波段的像素群膜系。

新型成像光谱滤光片制备技术的两种制备设计方案，如图5和图6所示。采用物理气相沉积工艺包括真空蒸发，离子束溅射，磁控溅射。本实施例选用离子束溅射双面镀膜机设计方案或磁控溅射双面镀膜机设计方案，所述双面镀膜机设计方案是在同一基片的两个表面，对制备的各个透射波段的同一像素群的掩膜同时镀膜，将膜层分解到基片的两个表面，减少像素元中膜系的层数，降低膜系的总厚度，使应力达到平衡，同时确保优异的光谱成像特性。

如图5所示，所述离子束溅射双面镀膜机设计方案是通过真空机组10实现真空条件，基片1固定装在基片载盘3上，通过一组旋转机构带动基片载盘3进行快速旋转，通过另外两组旋转机构分别带动SiO2靶材4、Nb2O5/Ta2O5 靶材5在镀完一层膜时绕其中心转轴41进行慢速旋转，至另一面，以实现更换靶材。当每镀完一层膜，需要更换一次靶材。在真空室11里用离子束溅射物理气相沉积法，通过溅射离子源7 发射离子到达靶材的表面，将靶材4、5上的材料通过到膜层厚度分布修正板6，溅射到基片表面上，膜层厚度分布修正板6修正膜层材料的分布，最后在基片1的两个表面镀上不同厚度的膜系。在同一基片的两个表面对制备的各个透射波段的像素群同时镀膜，获得该像素群，同时使其应力达到平衡。

所述离子束溅射双面镀膜机设计方案，将膜层分解到基片的两个表面，减少像素元中膜系的层数，降低膜系的总厚度，同时确保优异的光谱成像特性。

如图6所示，所述磁控溅射双面镀膜机设计方案是通过真空机组10实现真空条件，基片1固定装在基片载盘3上，通过一组旋转机构带动基片载盘3进行快速旋转。在真空室11里用磁控溅射物理气相沉积法，以磁控溅射的方式将Nb孪生溅射靶8、Si孪生溅射靶9上的材料通过膜层厚度分布修正板6上，溅射到基片表面。膜层厚度分布修正板6修正膜层材料的分布，最后在基片1的两个表面镀上不同厚度的膜系。在同一基片1的两个表面分别对制备的各个透射波段的像素群同时镀膜，获得像素群，同时使其应力达到平衡。溅射到掩膜基片上的Si膜层和Nb膜层，在通过氧化室12时分别氧化成SiO₂、Nb₂O₅膜层。

其中，所述离子束溅射双面镀膜机设计方案或磁控溅射双面镀膜机设计方案，通过真空机组10实现真空条件。

其中，所述磁控溅射双面镀膜机设计方案，将膜层分解到基片的2个表面，减少像素元中膜系的层数，降低膜系的总厚度，同时确保优异的光谱成像特性。

Claims

1.一种成像光谱滤光片，它包括基片（1）、像素层（2），其特征在于：在基片（1）的正、反两表面都覆盖有像素层（2）。

2.根据权利要求1所述的一种成像光谱滤光片，其特征在于：正、反两表面的像素层（2）均为干涉薄膜系或一面为干涉薄膜系、另一面为彩色感光胶的组合。

3.根据权利要求2所述的一种成像光谱滤光片，其特征在于：所述的干涉薄膜系是指由Nb₂O₅和SiO₂、或Ta₂O₅和SiO₂膜层重复相间镀膜构成，即Nb₂O₅或Ta₂O₅和SiO₂膜层相间，多次重复，每层膜的厚度各异。

4.根据权利要求3所述的一种成像光谱滤光片，其特征在于：干涉薄膜系的薄膜数目为20-80层。

5.根据权利要求1所述的一种成像光谱滤光片，其特征在于：基片（1）为光学玻璃或其他在工作波段透明的光学材料制成。

6.根据权利要求2所述的一种成像光谱滤光片，其特征在于：像素层（2）具有二维周期结构，相邻的n个波段像素为一个周期，n为大于或等于2的自然数，所述的二维周期结构是指在滤光片表面沿X或Y轴方向成像光谱滤光片按一定排列方式呈周期性排列，每个周期中包含n个不同的中心透过波长，所述每个周期波段像素只允许相应的一组波段的光通过，这组n个波段像素的几何形状和尺寸都是一样的，周期性排列的波段像素形成重复单元，该重复单元分别沿滤光片表面的X轴方向、Y轴方向重复排列，直至覆盖探测器的所有工作像素，所述周期性排列的行列数可以是几百或几千或更多。

7.根据权利要求6所述的一种成像光谱滤光片，其特征在于：所述的二维周期结构排列方式是指沿Y轴方向即滤光片表面的宽度方向进行顺序排列，排好一列后再按顺序排第二列，一直到最后，最后一列不能占满时用空白格填满，形成重复单元，该重复单元分别沿表面的X轴方向、Y轴方向重复排列，直至覆盖探测器的所有工作像素。

8.根据权利要求7所述的一种成像光谱滤光片，其特征在于：所述的二维周期结构排列方式是指沿Y轴方向即滤光片的宽度方向进行顺序排列，先排第一列1、2，再排第二列3、4，一直到最后，排成两行，第一行为1、3、5……，第二行为2、4、6……，当n为偶数时，两行刚好排齐，成为重复单元，当n为奇数时，第二行的最后一方格为空白，形成重复单元，该重复单元分别沿表面的X轴方向、Y轴方向重复排列，直至覆盖探测器的所有工作像素。

9.根据权利要求1或2所述的一种成像光谱滤光片，其特征在于：像素层（2）是由相应波段n_i的干涉薄膜系构成滤光片的像素元，所述成像光谱滤光片的每个波长像素元的构成方式在于使用短波通膜系与长波通膜系合成对应波段n_i的带通膜系。

10.根据权利要求1或2所述的一种成像光谱滤光片，其特征在于：像素层（2）是由相应波段n_i的彩色感光胶与干涉薄膜系组合构成滤光片的像素元，对于特定的周期光谱组合，通过改变感光胶的组分，调节长波通特性的边界波长位置，再与适配的短波通膜系组合，得到需要的带通特性，并且可有效减少像素结构的厚度。

11.根据权利要求9或10所述的一种成像光谱滤光片，其特征在于：对于特定的周期光谱组合，可通过外置宽带通滤光片或者外置截止滤光片实现边带截止，以减少像素元中膜系的层数，降低膜系的总厚度。

12.一种制备如权利要求1所述的成像光谱滤光片的方法，其特征在于：所述制备技术使用刻蚀技术和物理气相沉积技术方法，在同一个基片的正、反两个表面相应位置处，同时进行湿法刻蚀，制备同一透射波段像素群的掩模，使用镀膜设备，在基片的正、反两个表面同时镀膜。

13.根据权利要求12所述的成像光谱滤光片制备方法，其特征在于：所述的刻蚀和物理气相沉积技术工艺流程如下： 1）：制备基片；2）：用刻蚀法制备正、反两个表面第i个波段像素群的掩膜；3）：用物理气相沉积法制备正、反两个表面第i个波段的干涉薄膜系；4）：用刻蚀法剥离掩模；5)：检测是否为最后一个波段；检测如不是最后一个波段，重复流程上述步骤2)-5），直到检测到最后一个波段，所有像素群掩膜及物理气相沉积过程的工艺流程结束。

14.根据权利要求1所述的一种成像光谱滤光片，其特征在于：所述基片（1）厚度为0.3-0.5毫米。